錢塘垅電站1#內加強月牙肋鋼岔管設計

陳知淵

摘要：本文介紹錢塘垅水電站1#內加強月牙肋岔管的設計過程，并用CAD建立鋼岔管模型，用ANSYS軟件進行有限元分析，在正常運行和水壓試驗等工況中，岔管及月牙肋的應力均滿足要求。

關鍵詞 岔管 月牙肋 ANSYS 有限元

1 工程概況

錢塘垅水庫位于蘭溪市梅溪支流馬澗溪東源的小支流上，其壩址位于馬澗鎮溪源村上游約1km處，距蘭溪市區30km，距離馬澗鎮8km。電站廠址位于該水庫大壩下游約200m處右岸。錢塘垅水庫電站利用水庫供水隧洞，通過改造部分供水管道，在保障下游水廠供水的同時，利用富余水頭發電。

2 岔管體型設計

本文介紹錢塘垅電站1#岔管的設計，岔管體型圖見圖1。

圖1 1#岔管體型圖

1#岔管采用“卜”型結構，主管直徑1.6m，支管直徑分別為1.6m，1.5m。設計中，經試算及體型優選[2][3]，采用軸線岔角57.5°，分岔角60°。

3 有限元分析

本次設計中用CAD做實體建模，用ANSYS進行有限元分析[4][5][6]。

3.1 模型的建立

主管和支管的長度都取大于三倍管徑長，采用四邊型殼單元，對于網格的剖分，考慮到計算精度和計算機的計算能力，將網格作了較細的剖分，直管段圓周向布置40個結點，每條相貫線上布置20個結點，共計3590個單元。

3.2 初始條件與邊界條件

本工程中，原輸水管道與改造后的管道均采用淺層地下埋管。在岔管處，鋼管周邊澆筑80cm厚的混凝土，再在其上部回填相對密度不小于0.7的石渣1.2m至原地面高程。經估算鋼管底部受到混凝土的壓力大約70Kpa，與運行工況的內水壓力1.08Mpa及水工試驗的內水壓力1.35Mpa相比均可忽略。因此管道的受力分析中可不考慮圍巖的作用，而只受內水壓力的作用。

主管端部周邊采用全約束，支管端部周邊采用X、Y、Z三個方向約束的鉸支座，其余結點無約束。

3.3 有限元計算成果

1）正常運行工況

設計內水壓力P=1.08Mpa，計算得到岔管內外表面Mises應力、岔管變形如圖2、圖3。

圖2 錢塘瓏1#岔管Mises應力云圖（外表面） 圖3 錢塘瓏1#岔管變形矢量圖

2）水壓試驗工況

設計內水壓力P=1.35Mpa，計算得到岔管內外表面Mises應力、岔管變形如圖4、圖5。

圖4 錢塘瓏1#岔管Mises應力云圖（外表面） 圖5 錢塘瓏1#岔管變形矢量圖

正常運行工況與水壓試驗工況主要計算結果見表3、表4。

從岔管應力計算結果可看出，岔管最大應力出現在主管與支管相接的腰線折角內緣處，在本次岔管設計中，該處應力能夠滿足要求。在其他pD值較大的岔管設計中，腰線折角內緣處可能需要進行適當的加固處理。

月牙肋的最大應力發生在肋板內緣中心處，在pD值較大的岔管中，此處水流流態比較復雜，此處可能在脈動壓力作用下發生破壞，需適當加大尺寸。

本岔管的計算結果在Z向具有較好的對稱性，岔管本體部位應力情況復雜多變，遠處則應力分布趨于均勻，說明管長符合設計要求。

表3 正常運行工況主要應力結果匯總

工況 數值（MPa） 允許應力（MPa） 部位

正常

運行 局部應力區 99.709 177.69 腰線折角內緣

膜應力區 92.077 122.16

肋板 43.39 116.48 肋板內緣中心

表4 水壓試驗工況主要應力結果匯總

工況 數值（MPa） 允許應力（MPa） 部位

水壓

試驗 局部應力區 124.637 241.3 腰線折角內緣

膜應力區 115.097 165.90

肋板 48.403 158.18 肋板內緣中心

4 分析與總結

經有限元計算分析，錢塘垅電站1#岔管正常運行工況和壓水試驗工況的應力和變形都能滿足要求。

參考文獻

[1] 水電站壓力鋼管設計規范（ SL281- 2003） ， 北京： 中國水利水電出版社， 2003

[2] 潘家錚. 壓力鋼管[M]. 上海科學技術出版社， 1958.

[3] 楊海霞， 李哲斐. 月牙肋鋼岔管的優化設計[J]. 固體力學學報， 2006 （S1）.

[4] 林德金， 金宏安， 赫慶彬， 等. 巴基斯坦汗華水電站工程進水鋼岔管結構設計[J]. 水利水電工程設計， 2010 （003）： 23-24.

[5] 李哲斐. 鋼岔管結構的優化設計 [D][D]. 南京： 河海大學， 2005.

[6] 朱宏偉， 任德記， 高陽峰， 等. 月牙肋鋼岔管的有限元分析[J]. 水利科技與經濟， 2008， 14（2）： 113-114.